Авиакосмическая отрасль всегда находилась на переднем крае технологических инноваций, стремясь расширить границы возможного в плане дизайна, производительности и эффективности. Все более широкое применение аддитивного производства в промышленности отвечает этим стремлениям, так как позволяет быстрее и проще внедрять новаторские разработки и модернизировать существующие продукты.
Согласно последним данным, приведенным в исследовании The Business Research Company, в 2024 году объем глобального рынка 3D-печати в аэрокосмическом секторе достигнет $3,21 млрд, а совокупный годовой темп роста составит 31,9%. Прогнозы обещают увеличение объема рынка до $9,29 млрд к 2028 году при темпах роста в 30,5%.
Одна из передовых аддитивных технологий, которая привлекает к себе большое внимание современных производств, — селективное лазерное плавление (SLM). Она открывает неоценимые возможности для таких наукоемких отраслей, как авиастроение, поскольку позволяет получать на этапе НИОКР, опытного и мелкосерийного производства уникальные, сложнейшие изделия с заданными свойствами, решая многие критически важные задачи, — например, снижение веса авиакомпонентов. При этом многие ведущие производители уже переходят к серийному аддитивному производству
Каков принцип действия SLM-принтера?
SLM — одна из технологий аддитивного производства с использованием металлов, основанная на выборочном расплавлении металлического порошка под действием мощного лазера. Процесс начинается с создания цифровой 3D-модели, которая нарезается на слои. Затем SLM-машина сплавляет каждый слой с помощью лазерного луча в соответствии с заданными характеристиками, в результате чего получается готовая металлическая деталь. Точность печати составляет 20–100 микрон.
В зависимости от требований к шероховатости и плоскостности поверхности полученное изделие или его элементы подвергают механической постобработке — от фрезерования до горячего изостатического прессования.
В чем преимущества 3D-печати металлом для авиакосмической отрасли?
Селективное лазерное плавление обладает множеством плюсов по сравнению с традиционными методами производства. Технология претворяет в жизнь идеи, которые ранее были недостижимы или трудновыполнимы.
1. Создание объектов со сложнейшей геометрией
Благодаря 3D-печати металлом можно преодолеть ограничения классических способов обработки, что позволяет производить исключительно сложные и кастомизированные компоненты. В руках проектировщика полная свобода для создания практически любых объектов — небольших изделий с мелкой детализацией, крупных элементов, деталей с внутренними каналами, полостями и тонкими стенками, различных бионических и ячеистых структур.
2. Снижение веса
В авиакосмической индустрии каждый лишний грамм имеет значение: уменьшение массы даже небольшой конструкции ведет к повышению топливной эффективности и уменьшению выбросов — а это важнейшие факторы в отрасли, которая все больше ориентируется на экологичность. Используя топологическую оптимизацию, конструктор может уменьшить массу детали при сохранении соотношения прочности к массе.
3. Сокращение элементов в сборке
Еще одно преимущество топологической оптимизации — возможность изменения конструкции изделия с целью сокращения сборочных единиц. Несколько компонентов летательного аппарата могут быть скомпонованы в одну деталь либо существующий блок или узел можно модернизировать, превратив в монодеталь.
4. Экономия материала
Субтрактивные методы предполагают удаление лишнего материала, что приводит к значительному объему отходов. Поскольку SLM-печать — технология аддитивная, вы сами определяете требуемое количество расходного материала. Отходы сводятся к минимуму, а оставшийся после печати порошок можно использовать повторно. Группе исследователей из Уханя (Китай) удалось создать с помощью 3D-печати первую в мире деталь для большого самолетного шасси. Цельнометаллический Т-образный компонент имеет длину 1,5 м и вес 240 кг (рис. 1).
Рис. 1. Цельнометаллический Т-образный компонент. © ithome
По сравнению с классическим производством экономия составляет 90% материала. После тщательных испытаний 3D-печатные компоненты оказались даже более прочными, чем изготовленные традиционным способом. Итог — существенное снижение коэффициента материала.
5. Сокращение производственного цикла и расходов
В аддитивном производстве отсутствуют сложные процессы обработки, не требуется использование пресс-форм (а значит, можно отказаться от услуг подрядчиков–изготовителей оснастки), значительно сокращается цикл проектирования и подготовки деталей к производству, повышается эффективность НИОКР. Таким образом, предприятие ускоряет выпуск нового продукта или эксклюзивной серии.
Какие авиационные компоненты можно напечатать из металлов?
Этот раздел проиллюстрирован примерами печати на SLM-установках компании HBD (рис. 2).
Рис. 2. HBD 1200 — одна из самых крупных SLM-установок на рынке (размер платформы построения — 460×460×1200 мм)
1. Детали двигателей
Используя оборудование для аддитивного производства, компании аэрокосмического сектора могут создавать сложные и оптимизированные лопатки турбин, топливные форсунки, газовые сопла, камеры сгорания и другие части двигателя (рис. 3, 5, 7) — одного из ключевых компонентов ЛА.
Возможность объединять несколько деталей в одну, сокращать отходы материалов и улучшать отвод тепла делает селективное лазерное плавление революционным решением для повышения КПД двигателя и общей эффективности. SLM-машины обеспечивают высокую гибкость в проектировании таких деталей, а готовые изделия могут быть получены в срок от нескольких часов до нескольких дней, что значительно сокращает производственный цикл.
Рис. 3. Теплообменник, импеллер и камера сгорания
Рис. 4. Рама крепления двигателя
2. Структурные компоненты
Качество структурных компонентов имеет решающее значение для безопасности полетов. Рамы (рис. 4), кронштейны и соединительные элементы корпуса и шасси летательного аппарата, напечатанные на 3D-принтере, могут состоять из сложных решетчатых структур, сохраняющих прочность при минимальном весе.
3D-печать металлом позволит уменьшить отклонения от технических условий и гарантировать более высокую точностью изготовления. Детали сложной формы могут быть изготовлены в строго контролируемых пределах, за счет чего сокращаются отходы материалов и обеспечиваются лучшие показатели прочности и легкости конструкций по сравнению с традиционными методами производства.
3. Запасные части и комплектующие
В авиационной промышленности высок спрос на ремонтные детали и запчасти. С помощью 3D-печати инженеры смогут предлагать и осуществлять индивидуальные решения по техническому обслуживанию, чтобы сократить время простоя. 3D-технологии позволяют авиакомпаниям производить детали в любое время, когда они нужны, не прибегая к сложным цепочкам поставок и длительным срокам изготовления.
4. Отделка салона
Авиакомпании стремятся поднять планку в дизайне и комфорте салона. SLM-технология дает возможность производить детали отделки салона, такие как аксессуары для сидений, подносы и шкафчики. С помощью 3D-печати проектировщики смогут создавать более персонализированные изделия в соответствии с потребностями и предпочтениями пассажиров.
Рис. 5. Сопло с конформным охлаждением
5. Внутренний трубопровод
Продуманная сеть внутренних труб самолета обеспечивает его ежедневное функционирование. Металлической 3D-принтер — подходящее решение для изготовления труб со сложной внутренней структурой, которые надежно и без проблем интегрируются и соединяются между собой.
6. Кронштейны для датчиков
В современных самолетах применяется большое количество датчиков для контроля различных параметров и состояния системы. Аддитивные установки позволяют изготавливать кронштейны, которые могут быть установлены в нужном положении и обеспечивают стабильную работу датчиков.
7. Корпуса электронного оборудования
По мере роста спроса на оборудование беспроводной связи и бортовой электроники 3D-принтеры по металлу могут быть использованы для создания легких и высокопрочных деталей для защиты внутренних схем и компонентов электронного оборудования.
Что собой представляют инновационные материалы для SLM-печати?
В динамично развивающейся авиационной отрасли производители постоянно ищут материалы, сочетающие в себе прочность, долговечность и легкость. Замечательные возможности 3D-печати металлом дают инженерам шанс выйти за привычные рамки, и новые достижения материаловедения играют в этом немалую роль.
Титановые сплавы
Титан — один из самых используемых в аэрокосмической отрасли материалов благодаря исключительному соотношению прочности и веса, а также антикоррозионным свойствам. Из порошка Ti6Al4V и других титановых сплавов получаются прочные и легкие детали и структурные компоненты ЛА (рис. 6). Применение титана позволяет повысить производительность и топливную эффективность, обеспечить надежность и безопасность эксплуатации в сложных условиях.
Рис. 6. S-образный кронштейн – элемент исполнительного механизма системы увеличения подъемной силы самолета, напечатанный из сплава Ti6AI4V. В результате применения топологической оптимизации и SLM-печати масса снижена на 31%, три детали объединены в одну. © ASCO Industries
Алюминиевые сплавы
Алюминий ценится за свою легкость и высокую теплопроводность. На 3D-принтере можно изготавливать алюминиевые детали с уменьшенным весом, гибкой конструкцией и улучшенными механическими свойствами. Например, компоненты со сложной решетчатой структурой, внутренние каналы охлаждения, бионические формы, специально разработанные для улучшения аэродинамики или функциональности.
Высокоэффективные сплавы
Суперсплавы на основе никеля и кобальта широко используются в аэрокосмической промышленности благодаря их жаропрочности и коррозионной стойкости. SLM-технология оптимально подходит для создания сложных ответственных изделий из высокоэффективных сплавов — лопаток турбин, камер сгорания, выхлопных элементов газовых турбин и двигателей. Эти материалы играют важнейшую роль в повышении общей эффективности и надежности критически важных систем.
Нержавеющая сталь
Универсальное семейство сплавов, сочетающих прочность и коррозионную стойкость. Нержавеющая сталь подходит для 3D-печати прочных и долговечных структурных компонентов, таких как детали шасси, обеспечивающих успешную эксплуатацию летательных аппаратов и выдерживающих высокие нагрузки при взлетах и посадках. Однако, несмотря на более высокую прочность нержавеющей стали, алюминий демонстрирует значительно лучшее соотношение прочности и веса.
Рис. 7. Одна из задач Технологического центра аддитивного производства Самарского университета им. Королева – создание высокотехнологичного производства деталей и узлов газотурбинных двигателей. © Пресс-служба Самарского университета
В чем заключаются сложности при проектировании металлических деталей в аддитивном производстве?
Стремительное развитие 3D-печати металлом открыло новую эру инноваций в отрасли, однако эта революционная технология сопряжена с рядом трудностей при проектировании. Применяя SLM-печать, авиационные инженеры сталкиваются с четырьмя основными проблемами.
1. Отвод тепла
При 3D-печати металлом в детали образуются тепловые напряжения. Надлежащее регулирование теплообмена в процессе печати имеет решающее значение для предотвращения деформаций или растрескивания.
2. Остаточные напряжения
Внутренние напряжения в напечатанных компонентах могут повлиять на их механические свойства. Чтобы уменьшить эти напряжения, необходимо вносить изменения в конструкцию и применять различные методы постобработки (к примеру, муфельную печь).
3. Поддержки
3D-печать объектов сложной геометрии чаще всего требует создания поддерживающих структур для предотвращения деформации. Поддержки должны быть тщательно сгенерированы при подготовке модели к аддитивному производству и удалены после печати.
4. Обеспечение качества
Контроль качества 3D-печати в авиакосмической промышленности имеет первостепенное значение. Обеспечение соответствия напечатанных компонентов требуемым стандартам прочности, долговечности и безопасности является важной и непростой задачей, которая всегда стоит перед производителями.
Какие аддитивные установки выбрать производителю авиационной техники?
Сегодня на российском рынке доступно не так много оборудования для качественной 3D-печати металлом — как правило, китайского и отечественного производства. При выборе следует ориентироваться на опыт производителя, надежность систем и практические результаты печати. Немаловажное значение имеет и поддержка пользователей по эксплуатации, настройке и техобслуживании оборудования. Системы должны быть разработаны с учетом жестких требований отрасли и обеспечивать:
1. Точность и качество поверхности изделий за счет использования передовых лазеров и технологии плавления порошков.
2. Масштабируемость. Независимо от того, идет ли речь о небольших прототипах или крупносерийном производстве, оборудование должно обеспечивать гибкость, позволяющую адаптироваться к различным объемам производства. Это значительное преимущество для производителей авиационной техники.
3. Материалы. Для решения задач авиастроения требуется широкий спектр материалов со специфическими свойствами.
4. Эффективность. Время выхода на рынок имеет решающее значение в отрасли, таким образом, необходима высокая скорость печати, после которой требуется минимальная постобработка.
5. Проектирование. Благодаря аддитивным технологиям можно проектировать и печатать компоненты, которые невозможно или непрактично создать традиционными методами. Технология должна давать авиационным конструкторам возможность мыслить шире привычных ограничений.
Аэрокосмический сектор продолжает развиваться, и передовые системы SLM — это инструменты, необходимые для формирования будущего, в котором будут летать более легкие, эффективные и экологически чистые самолеты и космические аппараты.
Источник журнал "РИТМ машиностроения" № 3-2024
Еще больше новостей |  |
